1. Úvod
Zber energie rádiofrekvenčným (RF) prúdom (RFEH) a radiačný bezdrôtový prenos energie (WPT) priťahujú veľký záujem ako metódy na dosiahnutie udržateľných bezdrôtových sietí bez batérií. Rekténny antény sú základným kameňom systémov WPT a RFEH a majú významný vplyv na jednosmerný výkon dodávaný do záťaže. Anténne prvky rektény priamo ovplyvňujú účinnosť zberu, čo môže meniť zozbieraný výkon o niekoľko rádov. Tento článok skúma návrhy antén používaných v aplikáciách WPT a ambientného RFEH. Uvádzané rektény sú klasifikované podľa dvoch hlavných kritérií: šírky pásma usmerňovacej impedancie antény a vyžarovacích charakteristík antény. Pre každé kritérium je určená a porovnateľne posúdená hodnota kvality (FoM) pre rôzne aplikácie.
Bežné prenosové pole (WPT) navrhol Tesla začiatkom 20. storočia ako metódu prenosu tisícov konských síl. Termín rektenna, ktorý opisuje anténu pripojenú k usmerňovaču na zber rádiofrekvenčného výkonu, sa objavil v 50. rokoch 20. storočia pre aplikácie prenosu vesmírneho mikrovlnného výkonu a na napájanie autonómnych dronov. Všesmerové bezdrôtové prenosové pole s dlhým dosahom je obmedzené fyzikálnymi vlastnosťami šíriaceho sa média (vzduch). Preto je komerčné bezdrôtové prenosové pole obmedzené hlavne na neradiačný prenos energie v blízkom poli pre bezdrôtové nabíjanie spotrebnej elektroniky alebo RFID.
Keďže spotreba energie polovodičových zariadení a bezdrôtových senzorových uzlov neustále klesá, stáva sa uskutočniteľnejším napájanie senzorových uzlov pomocou okolitého RFEH alebo pomocou distribuovaných nízkopríkonových všesmerových vysielačov. Bezdrôtové napájacie systémy s ultranízkym výkonom zvyčajne pozostávajú z RF akvizičného vstupu, jednosmerného napájania a správy pamäte a nízkopríkonového mikroprocesora a transceivera.
Obrázok 1 znázorňuje architektúru bezdrôtového uzla RFEH a bežne uvádzané implementácie RF front-endu. Komplexná účinnosť bezdrôtového napájacieho systému a architektúra synchronizovanej bezdrôtovej siete na prenos informácií a energie závisí od výkonu jednotlivých komponentov, ako sú antény, usmerňovače a obvody riadenia napájania. Pre rôzne časti systému bolo vykonaných niekoľko prehľadov literatúry. Tabuľka 1 sumarizuje fázu konverzie energie, kľúčové komponenty pre efektívnu konverziu energie a súvisiace prehľady literatúry pre každú časť. Nedávna literatúra sa zameriava na technológiu konverzie energie, topológie usmerňovačov alebo RFEH s ohľadom na sieť.
Obrázok 1
Návrh antény sa však nepovažuje za kritickú súčasť v RFEH. Hoci niektorá literatúra zvažuje šírku pásma a účinnosť antény z celkového hľadiska alebo z hľadiska špecifického návrhu antény, ako sú miniaturizované alebo nositeľné antény, vplyv určitých parametrov antény na účinnosť príjmu a konverzie výkonu nie je podrobne analyzovaný.
Tento článok sa zaoberá technikami návrhu antén v rekténach s cieľom odlíšiť špecifické výzvy návrhu antén RFEH a WPT od návrhu štandardných komunikačných antén. Antény sú porovnávané z dvoch hľadísk: prispôsobenie impedancie koncových bodov a vyžarovacie charakteristiky; v každom prípade je identifikovaný a preskúmaný FoM (Fomer - principiálny priestor pre pohyb) v najmodernejších (SoA) anténach.
2. Šírka pásma a prispôsobenie: RF siete s odporom nie 50 Ω
Charakteristická impedancia 50 Ω je skorým aspektom kompromisu medzi útlmom a výkonom v aplikáciách mikrovlnnej techniky. V anténach je šírka pásma impedancie definovaná ako frekvenčný rozsah, kde je odrazený výkon menší ako 10 % (S11 < − 10 dB). Keďže nízkošumové zosilňovače (LNA), výkonové zosilňovače a detektory sú typicky navrhnuté s prispôsobením vstupnej impedancie 50 Ω, tradične sa používa zdroj s impedanciou 50 Ω.
V usmerňovači je výstup antény priamo privádzaný do usmerňovača a nelinearita diódy spôsobuje veľké rozdiely vo vstupnej impedancii, pričom dominuje kapacitná zložka. Za predpokladu antény s odporom 50 Ω je hlavnou výzvou navrhnúť dodatočnú RF prispôsobovaciu sieť na transformáciu vstupnej impedancie na impedanciu usmerňovača na sledovanej frekvencii a jej optimalizáciu pre špecifickú úroveň výkonu. V tomto prípade je na zabezpečenie efektívnej konverzie RF na DC potrebná šírka pásma impedancie od konca ku koncu. Preto, hoci antény môžu dosiahnuť teoreticky nekonečnú alebo ultraširokú šírku pásma pomocou periodických prvkov alebo samokomplementárnej geometrie, šírka pásma usmerňovača bude obmedzená prispôsobovacou sieťou usmerňovača.
Na dosiahnutie jednopásmového a viacpásmového zberu alebo WPT minimalizáciou odrazov a maximalizáciou prenosu výkonu medzi anténou a usmerňovačom bolo navrhnutých niekoľko topológií rektenn. Obrázok 2 znázorňuje štruktúry hlásených topológií rektenn, kategorizované podľa ich architektúry impedančného prispôsobenia. Tabuľka 2 zobrazuje príklady vysokovýkonných rektenn s ohľadom na šírku pásma medzi koncovými bodmi (v tomto prípade FoM) pre každú kategóriu.
Obrázok 2 Topológie rektenny z hľadiska šírky pásma a prispôsobenia impedancie. (a) Jednopásmová rektenna so štandardnou anténou. (b) Viacpásmová rektenna (zložená z viacerých vzájomne prepojených antén) s jedným usmerňovačom a prispôsobovacou sieťou na pásmo. (c) Širokopásmová rektenna s viacerými RF portami a samostatnými prispôsobovacími sieťami pre každé pásmo. (d) Širokopásmová rektenna so širokopásmovou anténou a širokopásmovou prispôsobovacou sieťou. (e) Jednopásmová rektenna s použitím elektricky malej antény priamo prispôsobenej usmerňovaču. (f) Jednopásmová, elektricky veľká anténa s komplexnou impedanciou na konjugáciu s usmerňovačom. (g) Širokopásmová rektenna s komplexnou impedanciou na konjugáciu s usmerňovačom v celom rozsahu frekvencií.
Zatiaľ čo bezdrôtový prenos energie (WPT) a okolitý vysokofrekvenčný vysokofrekvenčný výboj (RFEH) z vyhradeného napájania sú odlišné aplikácie rektémov, dosiahnutie komplexného prispôsobenia medzi anténou, usmerňovačom a záťažou je základom pre dosiahnutie vysokej účinnosti konverzie výkonu (PCE) z hľadiska šírky pásma. Rektémy WPT sa však viac zameriavajú na dosiahnutie vyššieho prispôsobenia faktora kvality (nižšia hodnota S11) s cieľom zlepšiť jednopásmovú PCE pri určitých úrovniach výkonu (topológie a, e a f). Široká šírka pásma jednopásmového WPT zlepšuje odolnosť systému voči rozladeniu, výrobným chybám a parazitickým poruchám v balení. Na druhej strane, rektémy RFEH uprednostňujú viacpásmovú prevádzku a patria do topológií bd a g, pretože výkonová spektrálna hustota (PSD) jedného pásma je vo všeobecnosti nižšia.
3. Obdĺžniková konštrukcia antény
1. Jednofrekvenčná rektenna
Konštrukcia antény jednofrekvenčnej rektenny (topológia A) je založená hlavne na štandardnej konštrukcii antény, ako je vyžarovacia plocha s lineárnou polarizáciou (LP) alebo kruhovou polarizáciou (CP) na základnej rovine, dipólová anténa a invertovaná F anténa. Diferenciálna pásmová rektenna je založená na kombinovanom poľovom sústave jednosmerného prúdu konfigurovanom s viacerými anténnymi jednotkami alebo zmiešanou kombináciou jednosmerného a vysokofrekvenčného prúdu s viacerými záplatovými jednotkami.
Keďže mnohé z navrhovaných antén sú jednofrekvenčné antény a spĺňajú požiadavky jednofrekvenčného bezdrôtového prenosu energie (WPT), pri hľadaní viacfrekvenčného rádiofrekvenčného výboja (RFEH) v prostredí sa viacero jednofrekvenčných antén kombinuje do viacpásmových reverzných antén (topológia B) so vzájomným potlačením väzby a nezávislou jednosmernou kombináciou za obvodom riadenia výkonu, aby sa úplne izolovali od obvodu pre získavanie a konverziu rádiového signálu. To si vyžaduje viacero obvodov riadenia výkonu pre každé pásmo, čo môže znížiť účinnosť zosilňovača, pretože jednosmerný výkon jedného pásma je nízky.
2. Viacpásmové a širokopásmové antény RFEH
Environmentálne RFEH sa často spája s viacpásmovým snímaním; preto bolo navrhnutých množstvo techník na zlepšenie šírky pásma štandardných návrhov antén a metód na vytváranie dvojpásmových alebo pásmových anténnych sústav. V tejto časti sa zaoberáme návrhmi vlastných antén pre RFEH, ako aj klasickými viacpásmovými anténami s potenciálom použitia ako rektenny.
Monopolové antény s koplanárnym vlnovodom (CPW) zaberajú pri rovnakej frekvencii menej plochy ako mikropáskové antény s pásmovou štruktúrou a produkujú vlny LP alebo CP, a preto sa často používajú pre širokopásmové environmentálne reflexné antény. Odrazové roviny sa používajú na zvýšenie izolácie a zlepšenie zisku, čo vedie k vyžarovacím diagramom podobným reflexným anténam. Štrbinové koplanárne vlnovodné antény sa používajú na zlepšenie impedančných šírkových pásiem pre viacero frekvenčných pásiem, ako napríklad 1,8 – 2,7 GHz alebo 1 – 3 GHz. V konštrukciách viacpásmových reflexných antén sa bežne používajú aj štrbinové antény s viazaným napájaním a reflexné antény. Obrázok 3 zobrazuje niektoré hlásené viacpásmové antény, ktoré využívajú viac ako jednu techniku zlepšenia šírky pásma.
Obrázok 3
Prispôsobenie impedancie antény a usmerňovača
Prispôsobenie 50Ω antény nelineárnemu usmerňovaču je náročné, pretože jej vstupná impedancia sa značne mení s frekvenciou. V topológiách A a B (obrázok 2) je bežnou prispôsobovacou sieťou LC prispôsobenie s použitím sústredených prvkov; relatívna šírka pásma je však zvyčajne nižšia ako vo väčšine komunikačných pásiem. Jednopásmové pahýľové prispôsobenie sa bežne používa v mikrovlnných a milimetrových vlnových pásmach pod 6 GHz a uvádzané milimetrové vlnové usmerňovače majú inherentne úzku šírku pásma, pretože ich šírka pásma PCE je obmedzená potlačením výstupných harmonických, čo ich robí obzvlášť vhodnými pre jednopásmové aplikácie WPT v nelicencovanom pásme 24 GHz.
Usmerňovače v topológiách C a D majú zložitejšie prispôsobovacie siete. Pre širokopásmové prispôsobenie boli navrhnuté plne distribuované linkové prispôsobovacie siete s RF blokom/DC skratom (priepustným filtrom) na výstupnom porte alebo DC blokovacím kondenzátorom ako spätnou cestou pre diódové harmonické. Komponenty usmerňovača je možné nahradiť prepojenými kondenzátormi na doske plošných spojov (PCB), ktoré sú syntetizované pomocou komerčných nástrojov na automatizáciu elektronického návrhu. Ďalšie hlásené širokopásmové usmerňovacie siete kombinujú sústredené prvky pre prispôsobenie nižším frekvenciám a distribuované prvky pre vytvorenie RF skratu na vstupe.
Na návrh širokopásmového usmerňovača s 57 % relatívnou šírkou pásma (1,25 – 2,25 GHz) a o 10 % vyššou PCE v porovnaní so sústredenými alebo distribuovanými obvodmi sa použila zmena vstupnej impedancie pozorovanej záťažou prostredníctvom zdroja (známa ako technika source-pull). Hoci sú prispôsobovacie siete typicky navrhnuté tak, aby zosúladili antény v celej šírke pásma 50 Ω, v literatúre existujú správy o pripojení širokopásmových antén k úzkopásmovým usmerňovačom.
V topológiách C a D sa široko používajú hybridné siete s koncentrovanými a distribuovanými prvkami, pričom sériové cievky a kondenzátory sú najčastejšie používanými koncentrovanými prvkami. Tieto siete sa vyhýbajú zložitým štruktúram, ako sú prepojené kondenzátory, ktoré vyžadujú presnejšie modelovanie a výrobu ako štandardné mikropáskové vedenia.
Vstupný výkon do usmerňovača ovplyvňuje vstupnú impedanciu v dôsledku nelinearity diódy. Preto je usmerňovač navrhnutý tak, aby maximalizoval PCE pre špecifickú úroveň vstupného výkonu a impedanciu záťaže. Keďže diódy majú primárne vysokú kapacitnú impedanciu pri frekvenciách pod 3 GHz, širokopásmové usmerňovače, ktoré eliminujú prispôsobovacie siete alebo minimalizujú zjednodušené prispôsobovacie obvody, sa zameriavajú na frekvencie Prf > 0 dBm a nad 1 GHz, pretože diódy majú nízku kapacitnú impedanciu a dajú sa dobre prispôsobiť anténe, čím sa zabráni návrhu antén so vstupnými reaktanciami > 1 000 Ω.
Adaptívne alebo rekonfigurovateľné impedančné prispôsobenie sa pozorovalo v CMOS usmerňovačoch, kde prispôsobovacia sieť pozostáva z kondenzátorových bánk a induktorov na čipe. Statické CMOS prispôsobovacie siete boli tiež navrhnuté pre štandardné 50Ω antény, ako aj pre spoločne navrhnuté slučkové antény. Bolo hlásené, že pasívne CMOS detektory výkonu sa používajú na riadenie prepínačov, ktoré smerujú výstup antény do rôznych usmerňovačov a prispôsobovacích sietí v závislosti od dostupného výkonu. Bola navrhnutá rekonfigurovateľná prispôsobovacia sieť s použitím laditeľných kondenzátorov so sústredenými skupinami, ktorá sa ladí jemným doladením pri meraní vstupnej impedancie pomocou vektorového analyzátora siete. V rekonfigurovateľných mikropáskových prispôsobovacích sieťach sa na nastavenie prispôsobovacích vývodov, aby sa dosiahli dvojpásmové charakteristiky, používajú prepínače s poľovým tranzistorom.
Ak sa chcete dozvedieť viac o anténach, navštívte stránku:
Čas uverejnenia: 9. augusta 2024
